Los científicos utilizan un dispositivo cuántico para ralentizar 100.000 millones de veces una reacción química simulada
Lo que ocurre en femtosegundos en la naturaleza puede observarse ahora en milisegundos en el laboratorio
Científicos de la Universidad de Sídney han utilizado por primera vez un ordenador cuántico para diseñar y observar directamente un proceso crítico en las reacciones químicas ralentizándolo 100.000 millones de veces.
Los autores principales, Vanessa Olaya Agudelo y Christophe Valahu, delante del ordenador cuántico del Sydney Nanoscience Hub utilizado en el experimento.
Stefanie Zingsheim/University of Sydney
En palabras de Vanessa Olaya Agudelo, investigadora principal y estudiante de doctorado: "La comprensión de estos procesos básicos en el interior de las moléculas y entre ellas nos permitirá abrir un nuevo mundo de posibilidades en la ciencia de los materiales, el diseño de fármacos o la captación de energía solar".
"También podría ayudar a mejorar otros procesos que dependen de la interacción de las moléculas con la luz, como por ejemplo cómo se crea el smog o cómo se daña la capa de ozono".
En concreto, el equipo de investigación fue testigo del patrón de interferencia de un solo átomo causado por una estructura geométrica habitual en química denominada "intersección cónica".
Las intersecciones cónicas son conocidas en toda la química y son vitales para procesos fotoquímicos rápidos como la captación de luz en la visión humana o la fotosíntesis.
Los químicos llevan desde los años 50 intentando observar directamente estos procesos geométricos en la dinámica química, pero no es factible hacerlo debido a la extrema rapidez de las escalas de tiempo.
Para sortear este problema, investigadores cuánticos de la Facultad de Física y la Facultad de Química crearon un experimento utilizando un ordenador cuántico de iones atrapados de una forma completamente nueva. Esto les permitió diseñar y mapear este complicadísimo problema en un dispositivo cuántico relativamente pequeño y, a continuación, ralentizar el proceso por un factor de 100.000 millones.
Los resultados de su investigación se publican hoy en Nature Chemistry.
"En la naturaleza, todo el proceso termina en femtosegundos", explica Olaya Agudelo, de la Facultad de Química. "Es decir, una milmillonésima de millonésima -o una cuatrillonésima- de segundo".
"Utilizando nuestro ordenador cuántico, construimos un sistema que nos permitió ralentizar la dinámica química de femtosegundos a milisegundos. Esto nos permitió realizar observaciones y mediciones significativas".
"Esto no se había hecho nunca".
En palabras del Dr. Christophe Valahu, coautor principal del estudio y miembro de la Facultad de Física: "Hasta ahora no habíamos podido observar directamente la dinámica de la 'fase geométrica'; ocurre demasiado rápido para sondearla experimentalmente.
"Gracias a las tecnologías cuánticas, hemos resuelto este problema".
El Dr. Valahu dijo que es similar a simular los patrones del aire alrededor del ala de un avión en un túnel de viento.
"Nuestro experimento no fue una aproximación digital del proceso, sino una observación analógica directa de la dinámica cuántica a una velocidad que podíamos observar", explicó.
En reacciones fotoquímicas como la fotosíntesis, por la que las plantas obtienen su energía del Sol, las moléculas transfieren energía a la velocidad del rayo, formando zonas de intercambio conocidas como intersecciones cónicas.
Este estudio ha ralentizado la dinámica en el ordenador cuántico y ha revelado los rasgos reveladores predichos -pero nunca antes vistos- asociados a las intersecciones cónicas en fotoquímica.
El coautor y jefe del equipo de investigación, el catedrático Ivan Kassal, de la Facultad de Química y el Instituto Nano de la Universidad de Sídney, declaró: "Este apasionante resultado nos ayudará a comprender mejor la dinámica ultrarrápida, es decir, cómo cambian las moléculas en las escalas de tiempo más rápidas".
"Es tremendo que en la Universidad de Sídney tengamos acceso al mejor ordenador cuántico programable del país para realizar estos experimentos".
El ordenador cuántico utilizado para realizar el experimento se encuentra en el Laboratorio de Control Cuántico del profesor Michael Biercuk, fundador de la startup cuántica Q-CTRL. La Dra. Ting Rei Tan dirigió el experimento.
La Dra. Tan, coautora del estudio, declaró: "Se trata de una colaboración fantástica entre teóricos de la química y físicos cuánticos experimentales. Estamos utilizando un nuevo enfoque de la física para abordar un problema de larga data en química".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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